坡度影响下的砒砂岩区裸露坡面水分入渗特征及模拟

为探究不同坡度(5°,10°,20°,30°)条件下,不同质地砒砂岩土壤(灰白色、混合色、紫红色)的水分入渗特征及最优入渗模型。通过室内模拟土柱法对土壤的水分入渗特征和拟合结果进行对比分析。结果表明:(1)研究区不同坡面土壤容重在1.513~1.737 g/cm³,30°坡面下的灰白色砒砂岩土壤入渗能力较强,5°坡面下的紫红色砒砂岩土壤入渗能力较弱。(2) 在砒砂岩土壤一维垂直 入渗过程中,初始入渗率为2.000~8.600 cm/min,入渗时间3.500~5.000 min后达到稳定入渗率(0.160~1.800 cm/min)。入渗率、湿润锋运移速率与时间呈幂函数递减关系。坡度的大小、砒砂岩的质地均影响砒砂岩土壤入渗能力,坡度越小、颜色越深, 入渗率、累计入渗率越低,湿润锋运移越慢;且初始入渗速率、稳定入渗速率、初始湿润锋运移速率、稳定湿润锋运移速率的值均随着坡面坡度的减小、砒砂岩土壤颜色的加深呈现减小趋势。(3)Kostiakov模型、Philip模型对于砒砂岩区土壤水分入渗结果拟合较好,决定系数均在0.900以上。Kostiakov模型 决定系数的平均值0.948拟合效果最优;Philip模型决定系数的平均值0.937拟合效果其次;Horton模型决定系数的平均值0.688拟合效果较差。通过平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)、偏差百分比(PBIAS)、纳什效率系数(NSE)验证Kostiakov模型和Philip模型模拟值与实测值的差异性小、两者吻合程度高。     

紫色土坡耕地埂坎裂隙发育对土壤入渗的影响

为揭示埂坎裂隙发育程度对土壤入渗性能的影响,该研究选取了3种裂隙发育程度（重度发育、中度发育、轻度发育）的埂坎为研究对象,利用双环入渗试验揭示裂隙发育的埂坎土壤入渗规律并采用入渗模型进行模拟。结果表明：1）不同裂隙发育程度下,埂坎土壤入渗率变化趋势均为先迅速下降后逐渐趋于稳定。有裂隙埂坎各时段的入渗率均大于对照组无裂隙埂坎,但其差值均随入渗时间的增加而减小;2）随着埂坎裂隙发育程度的增加,土壤初始入渗率、平均入渗率、稳定入渗率和累积入渗量均增大,其中初始入渗率的增幅最高（98.72%）;3）控制初始含水率条件下,裂隙深度和面积-周长比仍与初始入渗率、平均入渗率及120 min累积入渗量呈显著正相关（P＜0.05）,裂隙面密度仅与平均入渗率呈显著正相关（P＜0.05）;4）Kostiakov模型和Mezencev模型对不同裂隙发育程度下埂坎入渗过程拟合效果较好（R2为0.84～0.99）,但Kostiakov模型只有在一定时间范围条件下才能有效描述裂隙埂坎入渗过程。研究结果可为紫色土区坡耕地埂坎的建设、维护管理和合理利用及水土保持提供参考。     

不同有机物料对黄土高原治沟造地土壤水分运移的影响

为了改善黄土高原治沟造地土壤结构较差的问题,采用一维定水头土柱模拟试验,探讨了不同有机物料(生物有机肥、粉碎秸秆、50%粉碎秸秆+50%生物有机肥、尿素、对照)对治沟造地土壤湿润锋推移、累积入渗量、入渗速率和土壤水分蒸发特征的影响,并采用Green-Ampt模型、Philip模型和Kostiakov模型拟合分析土壤水分入渗规律。结果表明:(1)粉碎秸秆与有机肥均降低了土壤水分移动速率,增强了土壤持水能力;粉碎秸秆同时降低了土壤稳定入渗速率,与对照相比减小了17.65%;(2)湿润锋推进深度与累积入渗量呈良好的线性关系;通过对3种入渗模型拟合发现,Philip模型和Kostiakov模型的拟合效果较好,符合黄土高原治沟造地土壤入渗率和时间的动态关系;(3)土壤水分蒸发过程中,添加粉碎秸秆具有阻截和蓄积土壤水分,提高土壤含水量的积极作用。     

海州露天煤矿排土场复垦区不同土地利用类型土壤入渗特征

为揭示排土场复垦区不同土地利用类型土壤的水源涵养功能,采用野外实地双环入渗试验和室内理化分析方法,系统地研究了海州露天煤矿排土场复垦区不同土地利用类型(乔木林地、灌木林地、农用地、荒草地)土壤入渗特性及其影响因素。结果表明:不同土地利用类型下的土壤初始入渗率、稳定入渗率和累计入渗量均表现为乔木林地灌木林地农用地荒草地;不同土地利用类型下土壤入渗过程的拟合优度存在差异,G-P综合模型、Kastiakov模型、Horton模型的平均拟合优度依次为0.926,0.908,0.905。G-P综合模型相对误差为79.21%~123.69%,更接近排土场复垦区土壤入渗的实际过程,可作为排土场复垦区土壤入渗过程的预测模型;不同土地利用类型下土壤初始入渗率与非毛管孔隙度呈显著正相关,稳定入渗率和累计入渗量与非毛管孔隙度、砾石含量和部分根系特征呈显著正相关;采用主成分分析评价的土壤入渗能力排序为乔木林地灌木林地农用地荒草地,初始入渗率、稳定入渗率、14min入渗率和累积入渗量的主成分方差累积贡献率为99.047%,较好地表达了土壤入渗能力。     

紫色土坡耕地土质埂坎分层入渗试验研究

以相邻田面为对照,利用双环入渗法对三峡库区紫色土坡耕地土质埂坎分层(地埂、坎腰和坎趾)的入渗特征进行研究。结果表明:(1)土质埂坎分层入渗与对照田面入渗均呈先陡降后趋于稳定的趋势,但达到稳定入渗的时间存在差异。地埂达到稳定入渗的时间最长(110min),坎腰、坎趾和田面达稳定入渗的时间分别比地埂少9%,82%,18%。从入渗性能看,土质埂坎各层均表现出初始入渗率平均入渗率稳定入渗率。平均入渗率与120min累积入渗量表现为地埂坎腰田面坎趾,初始入渗率为坎腰地埂田面坎趾,稳定入渗率为田面坎腰地埂坎趾。(2)采用4种模型进行拟合,其中通用经验模型是描述坡耕地土质埂坎入渗的较好模型,其后依次是Kostiakov模型、Horton模型和Philip模型。(3)土质埂坎入渗性能与土壤物理性质具有较好的相关性,初始入渗率与初始含水率、容重呈显著负相关(P0.05),平均入渗率、120min累积入渗量与粉粒体积分数、初始含水率呈显著负相关(P0.05),与砂粒体积分数和总孔隙度呈显著正相关(P0.05)。研究结果可为紫色土区坡耕地土壤侵蚀调控的埂坎措施优化提供依据。     

湖南省衡山不同海拔高度土壤的入渗特征

[目的]探究衡山不同海拔高度土壤入渗性能的差异及其影响因素,为山体大尺度土壤入渗性能研究提供思路和方法。[方法]在衡山不同海拔高度区域选取9个试验点进行野外点源入渗试验。[结果]①从各试验点入渗率角度分析,稳定入渗率随海拔上升逐渐增大(山顶山腰山麓)且入渗率变化显著。从入渗开始到稳定入渗减小了50%～86%,且入渗过程呈现出一定规律性,即初始入渗率很大,随着入渗过程的推进,前10 min入渗率迅速减小,10～30 min缓慢减小,最终在30 min后趋于稳定。②影响土壤入渗性能的因素较多,在衡山试验中稳定入渗率与0.25 mm水稳性团聚体含量和海拔高度分别呈极显著正相关和显著正相关关系,而与有机质、土壤容重和质地相关性较低。③Kostiakov模型,Philip模型、Horton模型在各试验点的决定系数R~2均大于0.95,都能较好地对衡山各试验点入渗速率进行拟合,而Philip模型的参数中表征稳定入渗率的参数A均为负数,使其物理意义不明确。[结论] Horton模型能反映不同海拔区域稳定入渗率的特征(山顶山腰山麓),Kostiakov模型能较好地反映入渗速率的变化特征(山麓山顶山腰),也说明点源入渗法测量山地入渗是可行的。     

黏土夹层位置对黄河泥沙充填复垦土壤水分入渗的影响

在中国东部地区,土地复垦的一项重要任务是将采煤沉陷地复垦为耕地,复垦后的耕地生产力水平应接近损毁前的水平。然而,采用传统的黄河泥沙一次性充填后覆盖一定厚度土壤层的复垦方式,复垦后土壤持水性差,生产力水平低。夹层式充填复垦能够有效改善传统充填复垦土壤的水分特性,该文研究夹层位置对黄河泥沙填复垦土壤水分入渗过程的影响,共设计当地普通农田土壤剖面(CK1),传统"上土下沙"土壤剖面构型(CK2)及5个夹层式土壤剖面构型处理T1～T5:在60 cm厚的黄河泥沙充填层中的不同位置夹20 cm厚心土层(黏土层),夹层距离表土距离分别为50 cm(T1),55 cm(T2),60 cm(T3),65 cm(T4)及70 cm(T5)。通过室内入渗试验,分析不同位置设置夹层后土壤水分入渗特性及含水率分布情况,优选适应于该地区的夹层式土壤剖面构型。结果表明:入渗率随着夹层深度的增加呈先增加后减小的趋势,即夹层位置距离土表55cm为一临界深度,此时重构土壤的入渗率最低、湿润锋的运移速度最慢、阻水效果最强,但考虑到研究区强降雨天气,易形成地表径流。当心土夹层位置距离土表60cm时,更接近普通农田土壤水分入渗特性,是黄河泥沙夹层式充填复垦的理想选择。该研究对深入探讨黄河泥沙夹层式充填复垦内部作用机理和指导滨黄河地区采煤沉陷地的土地复垦具有重要意义。     

不同土地利用方式峰丛坡地土壤入渗特征及其模拟

喀斯特峰丛坡地的水土过程基础研究相对短缺,阻碍了相关土壤水文机理认识和适合该区模型的构建。为探明峰丛坡地上土壤入渗性能及变化过程,提出适合峰丛坡地的土壤入渗模型,通过室内一维垂直入渗试验,研究了峰丛坡地上不同土地利用方式土壤的初渗率、稳渗率及平均入渗率,并利用Horton,Philip,Kostiakov及经验通用模型拟合其入渗过程并进行评价。结果表明:(1)峰丛坡地上灌木林地的土壤砂粒含量约占50%以上,土壤渗透性能较强,而梯田旱地黏粒含量较高、有机质含量低,土壤渗透性能较差。(2)不同土地利用土壤前期入渗率均较高,为1.33～3.17cm/min,随后入渗速率急剧下降82.2%～96.2%,在20min左右达到稳定入渗率。灌木林地的前期入渗率下降幅度最大,而裸石地和梯田旱地相对缓慢。(3)Horton模型适宜于描述喀斯特峰丛坡地的土壤入渗过程,Horton模型的初始入渗率和稳定入渗率与实测值较为接近,而Kostiakov和Philip模型的拟合值与实测值存在差距。本研究为进一步认识峰丛坡地土壤水分入渗机理及构建入渗模型提供了理论依据。     

四种入渗模型对斥水土壤入渗规律的适用性

土壤斥水性影响入渗,进而影响作物产量。国外学者进行了一定的研究,但在中国研究的还很少。该文基于实测资料探讨几种常规的入渗模型在斥水土壤中的适用性。采用室内土柱进行积水入渗试验,对比了不同积水高度和斥水度条件下的土壤入渗规律,并采用4种模型分析了土壤入渗率变化特征。结果表明,累积入渗量随入渗历时的变化可用幂函数描述,不斥水土壤累积入渗量明显大于斥水土壤;累积入渗量与湿润锋推进距离呈良好的线性关系;利用Green-Ampt模型、Philip模型、Kostiakov公式和指数公式对入渗率与入渗历时间的关系进行拟合,其中Kostiakov公式更接近于实测值,其他模型拟合效果因斥水程度等因素的不同而异。     

坡度、雨强对塿土入渗特征的影响研究

利用室内人工降雨试验研究降雨强度和坡度对塿土水分入渗状况的影响及其作用机理,并用数学方法对土壤入渗率与累积入渗量随时间变化过程进行数学模拟。试验结果表明:雨强对降雨入渗率及累积入渗量有显著影响。雨强在20~90 mm h-1之间,雨强越大,塿土初始入渗率越高,达到稳定的时间越短,土壤的稳定入渗率由于主要受制于土壤特性,因而各降雨强度间差异不显著;累积入渗量变化表现为随降雨强度增大而减少;坡度对土壤入渗率及累积入渗量基本无影响。运用数学模型对土壤入渗率及累积入渗量的变化过程进行模拟,结果表明,Kostiakov经验模型与自回归移动平均模型(ARIMA)两种模型均可用于模拟土壤入渗性能的变化过程,拟合精度均较高。     

黄土丘陵区不同植被恢复对土壤入渗影响及适宜模型研究

研究植被恢复条件下土壤入渗特性及模型适应性，可为流域生态治理和效益评估提供科学依据。以延河纸坊沟小流域为研究区，采用野外单环入渗法和数值模拟法，对比研究不同恢复年限下的刺槐林地、柠条灌木林地、次生草地和农地的表层以下土壤和20 cm以下土壤的水分入渗变化特征，评价4种常用入渗模型在该区域的适应性。结果表明：(1)不同植被恢复地的表层以下土壤入渗过程在渗润阶段与渗漏阶段差异明显，相差4倍以上，20 cm以下的土壤入渗过程则在入渗稳定后的渗透阶段差异明显，相差5倍多；(2)不同植被类型及恢复年限会显著影响土壤入渗特征，整体呈现出林地>草地>农地的规律，并且随着恢复年限的增加，柠条灌木林地和次生草地的入渗能力增强，而刺槐林地入渗能力减弱；(3)Philip方程、Kostiakov方程、Horton方程与蒋定生方程对该地区土壤水分入渗过程均具有较好适用性，其中Philip方程适用性最好，决定系数(R²)能达到0.931～0.985,均方根误差(RMSE)相对最小，在0.057～0.283范围内，Kostiakov方程次之，Horton方程及蒋定生方程在个别情况...     

Infiltration characteristics of volcanic sloping soils on Mt. Elgon,Eastern Uganda

Water infiltration is an important hydrological process that influences runoff and soil loss patterns in mountain ecosystems. In this paper, we present results on spatial variation in infiltration in croplands on the volcanic soils of Mt. Elgon, in Eastern Uganda. Twelve experimental sites with slope gradients ranging from 12 to 32% were established. Infiltration tests were carried out with a double ring infiltrometer and three measurements were taken at the upper, middle and lower sections of each experimental site to assess the local variability of infiltration. In addition soil information was collected on each experimental site. The soil infiltration data were then evaluated to fit to four commonly used water infiltration models: (1) Philip (1957), (2) Green–Ampt (1911), (3) Horton (1940) and (4) Kostiakov (1932). The twelve experimental sites cover two cropping systems: annual (6 sites) and perennial (6 sites) crops. Based on the results, we examine the spatial variability of infiltration, the relationship of infiltration to landscape position, and the influence of soil composition on infiltration rates on the slopes. The factors affecting spatial variability of soil infiltration were analysed using correlation and regression techniques. Steady state infiltration rates generally increased with the slope gradient and were crop type independent (P < 0.05). The performance of the four applied water infiltration models was generally good with mean R² values ranging from 0.79 to 0.87, although all the models tended to over-predict the steady state infiltration rates at most sites. Overall, the Philip's and Kostiakov gave better results than the Horton and Green–Ampt models in reproducing the infiltration process on Mt. Elgon.     

黑钙土不同土层在两种材质负压渗水器下的吸渗特性

基于–5 k Pa负压灌水条件下的一维垂直水分吸渗试验,分析了陶土和聚乙烯醇缩甲醛泡沫塑料(PVFM)两种材质负压渗水器在黑钙土A、B层的渗水性能,测定累计吸渗量、吸渗率、湿润峰及土壤含水率等指标,并利用它们考察了Kostiakov,Horton、Philip 3种常用的土壤水分吸渗模型及垂直一维非饱和土壤水分运动代数模式描述负压吸渗过程的适用性,进一步比较了不同处理下的模型参数。结果表明:(1)–5 k Pa灌水条件下,PVFM渗水器和陶土渗水器的累计吸渗量没有明显差异,前者能有效替代后者作为负压渗水器;(2)黑钙土B层土壤水分吸渗特性比A层差,同时间内累计吸渗量较少,吸渗率降低速度更快;(3)短时间负压灌溉条件下,不同土层的累计吸渗量与湿润峰、吸渗率与湿润峰倒数、湿润峰平方与时间均存在明显的线性关系;(4)负压灌溉后距离渗水器上下各15 cm范围内,土壤含水率维持于20%~33%范围内,变异系数均在10%左右;(5)拟合结果表明,Kostiakov与Philip模型能很好地描述–5 k Pa负压灌溉下不同处理的水分吸渗特性,而Horton模型描述黑钙土A、B层较长时间的吸渗效果较差。     

紫色土区不同农林复合模式土壤入渗特征及影响因素

[目的] 为探究紫色土区不同农林复合模式土壤入渗特征及其影响因素。[方法] 通过野外调查和室内试验,分析紫色土区无作物(CK)、花生(HS)、花椒(HJ)、花生+花椒(HS+HJ)4种农林复合模式下土壤物理性质与入渗过程变化特征,评价了3种土壤入渗模型(Kostiakov、Horton、Philip)的适用性。[结果] (1)HJ模式下土壤总孔隙度与CK、HS+HJ模式差异不显著,但显著高于HS模式(p<0.05);CK和HS模式的土壤抗剪强度差异不显著,但均显著高于HJ模式和HS+HJ模式(p<0.05);各模式下土壤容重、含水率、温度、斥水性、紧实度、土壤硬度差异均显著(p<0.05)。(2)4种模式土壤水分入渗过程差异较大,CK和HS下土壤水分入渗在20 min左右进入稳渗阶段,而HJ和HS+HJ模式下土壤入渗分别在70,80 min左右进入稳渗阶段。HS+HJ模式的土壤稳定入渗率分别比CK、HS、HJ模式高出162%,140%,82%(p<0.05)。(3)与Horton和Philip模型相比,Kostiakov模型拟合入渗过程的效果最佳(决定系数R²=0.933~0.991);Horton模型拟合效果相对较差(R²=0.849~0.979)。(4)相关性与多元线性回归分析发现,土壤总孔隙度与土壤抗剪强度是影响土壤入渗的关键因素。[结论] 研究结果为紫色土区农林复合模式的优化选择提供科学依据。     

Evaluation of infiltration models with different numbers of fitting parameters in different soil texture classes

In this study, the ability of eight different infiltration models (i.e. Green and Ampt, Philip, SCS (US-Soil Conservation Service), Kostiakov, Horton, Swartzendruber, Modified Kostiakov (MK) and Revised Modified Kostiakov (RMK) models) were evaluated by least-squares fitting to measured infiltration data. Six comparison criteria including coefficient of determination (R²), mean root mean square error (MRMSE), root mean square error (RMSE), the F-statistic (F), C_p statistic of Mallows (C_p) and Akaike information criterion (AIC) were used to determine the best performing model with the least number of fitting parameters. Results indicated that R² and MRMSE were not suitable for model selection. A more valid comparison was achieved by F, C_p, AIC and RMSE statistics. The RMK model including four parameters had the best performance with the majority of soils studied. RMK was better than the MK model in approximately 51.6, 57, 68.5 and 70.6% of soils, when using F, C_p, AIC and RMSE statistics, respectively, and for the other models, a higher per cent of soils was obtained. The RMK model was the best for loam, clay loam and silty clay loam soils, but the MK model was the best for silty loam soils.     

贺兰山西麓绿洲土壤水分的入渗特性

[目的]研究贺兰山西麓腰坝绿洲土壤水分入渗特性,为当地合理利用水资源和农田灌溉提供理论依据。[方法]在当地选取21个试验点进行野外双环入渗试验,利用不同入渗公式对实测结果进行拟合,并通过多元分析及地统计学方法分析土壤水分入渗特性。[结果]Horton公式的拟合结果相关系数高达0.963,相对误差与均方根误差分别仅为4.09%与0.046 mm/min,拟合精度要优于Philip公式与Kostiakov公式,且模型参数具有较好的物理意义。土壤质地对入渗过程有显著性影响,土壤中含砂量越高,入渗速率越大,达到稳定所需时间越短,而土壤容重与初始含水率则分别对累积入渗量及初始入渗率有一定影响。稳定入渗率最大值约为最小值的12倍,变异系数高达0.677,且由东北向西南呈现递减的趋势。[结论]Horton公式适用于描述腰坝绿洲土壤水分入渗过程,土壤性质差异对入渗过程有较大影响,同时在空间上入渗率也存在较强变异性。     

Soil physical and hydrological properties under three biofuel crops in Ohio

Abstract

While biofuel crops are widely studied and compared for their energy and carbon footprints, less is known about their effects on other soil properties, particularly hydrologic characteristics. Soils under three biofuel crops, corn (Zea mays), switchgrass (Panicum virgatum), and willow (Salix spp.), were analyzed seven years after establishment to assess the effects on soil bulk density (ρ_b), penetration resistance (PR), water-holding capacity, and infiltration characteristics. The PR was the highest under corn, along with the lowest associated water content, while PR was 50–60% lower under switchgrass. In accordance with PR data, surface (0–10 cm) bulk density also tended to be lower under switchgrass. Both water infiltration rates and cumulative infiltration amounts varied widely among and within the three crops. Because the Philip model did not fit the data, results were analyzed using the Kostiakov model instead. Switchgrass plots had an average cumulative infiltration of 69 cm over 3 hours with a constant infiltration rate of 0.28 cm min^?1, compared with 37 cm and 0.11 cm min^?1 for corn, and 26 cm and 0.06 cm min^?1 for willow, respectively. Results suggest that significant changes in soil physical and hydrologic properties may require more time to develop. Soils under switchgrass may have lower surface bulk density, higher field water capacity, and a more rapid water infiltration rate than those under corn or willow.